Heb je je ooit afgevraagd waarom sommige lasconstructies onverwacht falen? Dit artikel onderzoekt de verborgen krachten die een rol spelen - lasspanning en vervorming. Leer hoe deze spanningen de sterkte, stabiliteit en nauwkeurigheid beïnvloeden en ontdek praktische methoden om hun effecten te minimaliseren. Bereid je voor op een beter begrip van de onzichtbare uitdagingen waar lassers mee te maken krijgen en hoe ze deze kunnen overwinnen!
Lasspanning verwijst naar de interne krachten die tijdens en na het lasproces in gelaste onderdelen worden opgewekt. Deze spanningen worden voornamelijk veroorzaakt door de lokale verwarmings- en afkoelingscycli die inherent zijn aan lassen en die leiden tot niet-uniforme thermische uitzetting en inkrimping en microstructurele veranderingen in het materiaal.
De fundamentele oorzaak van lasspanning en bijbehorende vervorming ligt in de heterogene temperatuurverdeling tijdens het lassen. Deze thermische gradiënt resulteert in:
Lasspanningen kunnen worden onderverdeeld in twee hoofdtypen:
Als er geen externe belastingen zijn, zijn de lasspanningen zelfevenwichtig binnen het lasstuk. Deze interne spanningen kunnen echter op verschillende manieren de prestaties en de kwaliteit van de gelaste constructie aanzienlijk beïnvloeden:
① Effect op sterkte:
Ernstige defecten in gebieden met hoge restspanning kunnen de statische belastbaarheid van de las negatief beïnvloeden als deze onder de brosse overgangstemperatuur werkt. De aanwezigheid van resterende trekspanning op spanningsconcentratiepunten onder cyclische spanning zal de vermoeiingssterkte van de las.
De vermoeiingssterkte van lasverbindingen is niet alleen afhankelijk van de grootte van restspanningmaar ook op factoren zoals de spanningsconcentratiefactor, spanningscyclus-karakteristieke coëfficiënt en de maximale waarde van de cyclische spanning. De invloed van restspanning neemt af naarmate de spanningsconcentratiefactor afneemt en neemt toe naarmate de spanningscyclus-karakteristieke coëfficiënt afneemt, maar neemt af naarmate de cyclische spanning toeneemt.
Wanneer de cyclische spanning de treksterkteneemt het effect van restspanning geleidelijk af.
② Effect op stijfheid:
De combinatie van lasrestspanning en spanningen van externe belastingen kunnen leiden tot vroegtijdig bezwijken en plastische vervorming in specifieke gebieden van het lasstuk. Dit zal resulteren in een vermindering van de stijfheid van de las.
Invloed op de stabiliteit van druklassen:
Wanneer een gelaste staaf onder druk komt te staan, combineert de restspanning van het lassen met de spanning van externe belastingen, waardoor mogelijk plaatselijk bezwijken of instabiliteit ontstaat en de algehele stabiliteit van de staaf afneemt.
De invloed van restspanning op de stabiliteit hangt af van de geometrie en de verdeling van inwendige spanning binnen het profiel. De invloed van restspanning op niet-gesloten doorsneden, zoals I-profielen, is groter dan de invloed op gesloten doorsneden, zoals kokerprofielen.
④ Invloed op de bewerkingsnauwkeurigheid:
De aanwezigheid van lasrestspanning kan de bewerkingsnauwkeurigheid van lasnaden in verschillende mate beïnvloeden. Hoe lager de stijfheid van het lasstuk, hoe groter de bewerkingshoeveelheid en hoe groter de invloed op de nauwkeurigheid.
Invloed op dimensionale stabiliteit:
Lasrestspanning en de grootte van het laspunt veranderen in de loop van de tijd en dit kan de dimensionale stabiliteit van het laspunt beïnvloeden. De stabiliteit van de restspanning beïnvloedt ook de dimensionale stabiliteit van het lasnaadelement.
⑥ Effect op corrosiebestendigheid:
De combinatie van lasrestspanning en belastingsspanning kan leiden tot spanningscorrosiescheuren.
Invloed van lasrestspanningen op de constructie en het onderdeel:
Lasrestspanning is de initiële spanning op een onderdeel voordat het belast wordt. Tijdens het gebruik van het lid overlapt de restspanning met de werkspanning veroorzaakt door andere belastingen, wat leidt tot secundaire vervorming en een herverdeling van de restspanning.
Dit vermindert niet alleen de stijfheid en stabiliteit van de constructie, maar heeft ook een aanzienlijke invloed op de vermoeiingssterkte, weerstand tegen brosse breuken, spanningscorrosie en kruipscheuren bij hoge temperaturen onder de gecombineerde effecten van temperatuur en omgeving.
Lasspanning kan worden geminimaliseerd door een uitgebreide beschouwing van zowel het ontwerp als het proces. Bij het ontwerpen van een lasconstructie moet men lasverbindingen met een lagere stijfheid gebruiken, het aantal lassen en de grootte van de dwarsdoorsnede minimaliseren en overmatige concentratie van lassen vermijden. Wat het proces betreft, kunnen de volgende maatregelen worden genomen:
Bij het bepalen van de lasvolgorde moet de las zoveel mogelijk vrij kunnen krimpen om de spanning te verminderen. De lasspanning die ontstaat door de volgorde in Figuur 4-10a is klein, terwijl in Figuur 4-10b lasnaad 1 eerst de druk op lasnaad 2 verhoogt, waardoor de restspanning toeneemt.
a) Minimale lasspanning, b) Aanzienlijke lasspanning.
Gebruik tijdens het afkoelen van de las een rondhamer om gelijkmatig en snel op de las te slaan. Dit veroorzaakt plaatselijke plastische rekvervorming van het lasmetaal, compenseert een deel van de laskrimpvervorming en vermindert zo de restlasspanning.
Verwarm voor het lassen een geschikt deel van het werkstuk (bekend als de spanningsreductiezone) om het te verlengen (Afbeelding 4-11). Na het lassen, tijdens het afkoelen, krimpen de spanningsreductiezone en de las in dezelfde richting, waardoor de lasspanning en vervorming afnemen.
Het doel van voorverwarmen voor het lassen is om het temperatuurverschil tussen de laszone en het omringende metaal te verkleinen, de afkoelsnelheid van de laszone te verlagen en de ongelijkmatige uitzetting en inkrimping tijdens het opwarmen en afkoelen van het lassen te verminderen, waardoor de lasspanning afneemt. Langzaam afkoelen na het lassen kan hetzelfde effect hebben.
Deze methode compliceert echter het proces en is alleen geschikt voor materialen met een slechte plasticiteit die gevoelig zijn voor scheuren, zoals staal met een hoog en gemiddeld koolstofgehalte, gietijzer en gelegeerd staal.
Om de restlasspanning in de lasconstructie te elimineren, wordt bij de productie vaak gebruik gemaakt van spanningsarmgloeien. Voor koolstofstaal en constructies van laag tot middelzwaar gelegeerd staal kan het hele onderdeel of een deel van de lasverbinding na het lassen worden verwarmd tot 600-800°C en langzaam worden afgekoeld nadat het een bepaalde tijd op deze temperatuur is gehouden. Over het algemeen kan meer dan 80% van de restlasspanning worden geëlimineerd.
Om lasvervorming onder controle te houden, moeten de grootte en vorm van de lasnaden redelijk worden gekozen tijdens het ontwerp van de lasconstructie, moet het aantal lasnaden zo klein mogelijk worden gehouden en moet de plaatsing van de lasnaden symmetrisch zijn. Bij de productie van lasconstructies kunnen de volgende technieken worden toegepast:
Gebaseerd op theoretische berekeningen en empirische waarden wordt de krimptoeslag vooraf overwogen tijdens de voorbereiding en bewerking van de lasonderdelen, zodat het werkstuk na het lassen de vereiste vorm en grootte kan bereiken.
Op basis van ervaring of meting worden de grootte en de richting van de structurele lasvervorming vooraf ingeschat. Tijdens het samenstellen van de lasconstructie wordt een opzettelijke vervorming gecreëerd in de tegenovergestelde richting maar van gelijke grootte om de vervorming die na het lassen ontstaat te compenseren (zie Afbeelding 4-12).
a) Creatie van hoekvervorming
b) Neutralisatie van hoekvervorming
De lasdelen worden gefixeerd tijdens het lassen en de starre fixatie wordt verwijderd nadat de lasdelen zijn afgekoeld tot kamertemperatuur. Dit kan hoekige vervorming en golfvormige vervorming effectief voorkomen, maar het verhoogt de lasspanning.
Deze methode is alleen geschikt voor koolstofarme staalconstructies met een goede plasticiteit en mag niet worden gebruikt voor gietijzer en staalmaterialen met een grote neiging tot verharding om breuken na het lassen te voorkomen. Afbeelding 4-13 toont het gebruik van de starre bevestigingsmethode om hoekvervorming van het flensvlak te voorkomen.
De keuze van een redelijke lasvolgorde is essentieel voor het beheersen van lasvervorming. Voor het lassen van balken met een symmetrische doorsnede kan de lasvolgorde in Afbeelding 4-14 de lasvervorming effectief verminderen.
Voor werkstukken met een ongelijkmatige verdeling van lassen, zoals de hoofdligger van de brugkraan in Afbeelding 4-15, is het verstandig om twee werkers tegelijkertijd en symmetrisch eerst de 1-1′ lasnaden te laten lassen, daarna de 2-2′ lasnaden en tenslotte de 3-3′ lasnaden. Op deze manier kan de opwaartse vervorming veroorzaakt door de 1-1′ las in wezen worden gecompenseerd door de neerwaartse vervorming veroorzaakt door de 2-2 en 3-3 lassen.
Tijdens het lasproces kan soms vervorming optreden die de toegestane waarde overschrijdt, zelfs als de bovengenoemde maatregelen zijn genomen. De algemeen toegepaste methoden voor het corrigeren van lasvervorming zijn onder andere:
Mechanische correctie houdt in dat een externe kracht wordt gebruikt om plastische vervorming in het onderdeel op te wekken in de tegenovergestelde richting van de lasvervorming, waardoor elkaars vervorming teniet wordt gedaan (Afbeelding 4-16). Deze methode is meestal alleen geschikt voor koolstofarm staal en gewoon laaggelegeerd staal met een relatief lage stijfheid en goede plasticiteit.
Vlamcorrectie gebruikt de afkoelingskrimp na plaatselijke verwarming van het metaal om de bestaande lasvervorming te corrigeren. Afbeelding 4-17 toont een opwaartse vervorming van een T-profiel na het lassen, die kan worden gecorrigeerd door de positie van het lijf met een vlam te verhitten. De verwarmingszone is driehoekig en de verwarmingstemperatuur is 600-800°C.
Na afkoeling krimpt de baan, wat omgekeerde vervorming veroorzaakt en het gelaste onderdeel recht maakt. Deze methode is vooral geschikt voor materialen met een goede plasticiteit en zonder verhardingsneiging.
Ontlasting door middel van trillingen (VSR) is een geavanceerde techniek voor het verminderen van restspanningen in gelaste constructies en technische materialen. Dit proces omvat het toepassen van gecontroleerde, laagfrequente trillingen op het werkstuk, meestal in het bereik van 20-100 Hz. Wanneer het gecombineerde effect van restspanning en geïnduceerde trillingsspanning plaatselijk de vloeigrens van het materiaal overschrijdt, treedt plaatselijke plastische vervorming op, wat leidt tot herverdeling van de spanning en algehele vermindering.
De effectiviteit van VSR hangt af van verschillende factoren:
VSR biedt verschillende voordelen ten opzichte van thermische spanningsontlastingsmethoden:
Het is echter belangrijk op te merken dat VSR niet geschikt is voor alle materialen en geometrieën, en dat de effectiviteit kan variëren afhankelijk van de specifieke toepassing.
Thermische spanningsontlasting, ook bekend als warmtebehandeling na het lassen (PWHT), is een beproefde methode om restspanningen in gelaste onderdelen te verminderen. Het proces omvat zorgvuldig gecontroleerde verhittings-, inweek- en afkoelcycli:
Belangrijke overwegingen voor effectieve thermische spanningsontlasting:
Hoewel thermische spanningsontlasting zeer effectief is, kan een onjuiste uitvoering leiden tot nadelige effecten:
Voor optimale resultaten is het cruciaal om:
Door deze parameters zorgvuldig te controleren en de bewezen beste werkwijzen te volgen, kan thermische spanningsontlasting de restspanningen effectief verminderen, waardoor de dimensionale stabiliteit en de weerstand tegen vermoeiing van gelaste constructies verbeteren.
Als oprichter van MachineMFG heb ik meer dan tien jaar van mijn carrière gewijd aan de metaalbewerkingsindustrie. Door mijn uitgebreide ervaring ben ik een expert geworden op het gebied van plaatbewerking, verspaning, werktuigbouwkunde en gereedschapsmachines voor metalen. Ik denk, lees en schrijf voortdurend over deze onderwerpen en streef er voortdurend naar om voorop te blijven lopen in mijn vakgebied. Laat mijn kennis en expertise een aanwinst zijn voor uw bedrijf.
NL 
EN 
AR 
DE 
ES 
FR 
IT 
JA 
PT 
PT_BR 
RU 
KO